JP4300618B2 - Friction stir welding method and sealed container obtained thereby - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、肉厚の異なる部材間の周状突合せ部を摩擦攪拌接合で気密接合する方法及びそれにより得られた電池ケース等の密閉容器に関する。
【0002】
【従来の技術】
アルミニウム,アルミニウム合金等のアルミニウム材料製密封容器の製造に際しては、MIG溶接等の溶融溶接で容器本体に蓋体を密封状態で一体化しているが、被溶接材料に大量の熱が与えられるため熱変形が生じ易い。一般的に容器本体は薄肉、蓋体は厚肉であるため、熱容量の相違に起因して溶接熱によって上昇する温度も容器本体と蓋体では異なったものとなりやすい。この状態で容器本体に蓋体が接合されるため、熱変形による開先形状の変形,溶込み不良等から接合部の気密性が十分に確保できない。
【0003】
溶融溶接に替わる方法として、摩擦攪拌接合が注目されている。摩擦攪拌接合では、図1(a)に示すように、一対のアルミニウム材料製板材1a,1bの突合せ端面に沿って回転ツール2を押圧状態で移動させる。回転ツール2は、被接合材である板材1a,1bよりも硬度及び軟化温度の高い材料でできており、円筒形ツール2aの下端から攪拌ピン2bが軸方向に突出している。円筒形ツール2aの底面は、軸中心に向かって窪んだ表面押え部2cとなっている。
【0004】
板材1a,1bの突合せ端面に対し、図1(b)に示すように、回転ツール2を若干傾けて回転させながら左方向に移動する。板材1a,1bの突合せ端面近傍にあるアルミニウム材料は、攪拌ピン2bの回転移動による摩擦熱で加熱され可塑化される。その結果、突合せ端面の近傍にあるメタルは、各板材1a,1b間にわたって水平方向及び垂直方向に流動化し攪拌される。表面押え部2cは、流動化したアルミニウム材料の垂直方向の動きを抑制して摩擦熱を発生させると共に、攪拌ピン2bと相俟って流動化したアルミニウム材料を攪拌する。その結果、一定の幅及び深さをもつ接合部3が形成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦攪拌接合で形成された接合部3は、アーク溶接等で形成される盛り上がったビードと異なり、板材1a,1bの表面とほぼ同じ表面になるため、後加工も容易である。しかも、アーク溶接等の溶融溶接に比較して板材1a,1bに与える熱量が大幅に少ないため、溶接時に発生しがちな熱変形も抑制される。
しかし、従来の摩擦攪拌接合では、被接合材料を一平面上に配置し、直線状又は曲線状の突合せ部を接合することが大半であった。また、電池ケースの容器本体と蓋体とのように肉厚の異なる材料を摩擦攪拌接合すると、厚肉材と薄肉材とではメタルの攪拌流動に差が生じるため、十分な攪拌状態が得られず未溶接部等の欠陥を含む接合部が形成されがちである。また、摩擦熱で可塑化した薄肉側のメタルが厚肉側に流動し、接合後の薄肉側に肉不足が生じることもある。肉不足は、継手強度を低下させるばかりでなく、気密性を損ねる原因にもなる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、被接合材の肉厚との関係で回転ツールの回転方向を規制することにより、接合界面を介し厚肉及び薄肉の両被接合材にわたって可塑化されたアルミニウム材料の流動を均一化し、気密性の高い接合部を形成させることを目的とする。
本発明の摩擦攪拌接合方法は、その目的を達成するため、厚肉アルミニウム部材の端面に段差部を形成し、当該段差部に薄肉アルミニウム材を前記厚肉アルミニウム部材と直交する方向に、当該薄肉アルミニウム材の表面と前記厚肉アルミニウム部材の端面の先端面とが同一面となるように押し当てて厚肉アルミニウム部材と薄肉アルミニウム材の突合せ部を形成し、当該突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側(たとえば、ツール回転方向が下向き時計回りの場合では接合進行方向左側)に厚肉アルミニウム材が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させることを特徴とする。
【0007】
電池ケース等の容器本体に蓋体を気密接合する場合、断面長円状の内部空間をもつアルミニウム材料製容器本体に、厚肉アルミニウ部材からなり端面に容器本体側の寸法が小さくなるような段差部を形成した蓋体の、寸法が小さくなるように形成された段差部で形成される挿入部を差し込み、容器本体の側壁と蓋体の側壁とを突き合わせて容器本体を周回する突合せ部を形成し、突合せ部に回転ツールの攪拌ピンを押し込み、回転ツールの進行速度に回転速度が加算されるシアー側に蓋体が位置する方向に回転ツールを回転させながら前記攪拌ピンを突合せ部に押込んだ状態のままで当該突合せ部に沿って回転ツールを進行させる。
回転ツールは、表面押え部を被接合材表面に接触させた状態で、被接合材表面の法線と攪拌ピンの軸線との間の角度で定義される前進角θを3〜30度の範囲に設定することが好ましい。
【0008】
【実施の形態】
以下、電池ケースの容器本体に蓋体を気密接合する場合を例にとって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに拘束されるものではなく、肉厚が異なるアルミニウム材料を周回する突合せ部に沿って接合する場合にも同様に適用される。
電池ケースの容器本体10は、アルミニウム材料の深絞り加工又は扱き加工で作られており、図2に示すように断面がほぼ長円形で、底板が一体成形された深い形状をもっている。容器本体10の厚みt1 は、深絞り加工を容易にし、且つ電池ケースの軽量化を図るため、電池ケースのサイズにもよるが通常0.5〜2mmの範囲に設定されている。
【0009】
容器本体10に気密接合される蓋体20は、アルミニウム材料の鍛造加工等によって作られており、容器本体10の断面長円形の内部空間に差し込まれる挿入部21をカバー部22の下方に備えている。カバー部22は、容器本体10の外側形状と同じ形状をもっており、挿入部21を容器本体10に差し込んだとき、容器本体10の側壁11及びカバー部22の側壁23が連続面を形成する。蓋体10は、最も厚い部分で3〜15mmの厚みをもっている。
容器本体10に蓋体20を気密接合するに際しては、図3に示すように容器本体10に挿入部21を挿し込み、容器本体10の側壁11にカバー部22の側壁23を位置合せする。側壁11と側壁23との突合せ部に回転ツール30の攪拌ピン31を押し込み、回転ツール30を高速回転すると、接合界面近傍にある側壁11及び23のメタルは攪拌ピン31及び表面押え部32との摩擦によって加熱され可塑化し流動する。
【0010】
メタルの流動によって側壁11と23との間に接合部Wが形成されるが、回転ツール30の回転方向が接合部Wの形状や継手強度,気密性等に大きな影響を及ぼす。
進行方向Dに進む回転ツール30の進行速度Vadが回転ツール30の回転速度Vrtに加算される側(以下、シアー側といい、反対側をフロー側という)に厚肉の蓋体20が位置する場合(図4a)、先ず回転ツール30と蓋体20及び容器本体10との間で摩擦熱が発生する。発生した摩擦熱で蓋体20の材料が可塑化され、攪拌ピン31の挿入及び回転による塑性流動で攪拌ピン31の上方に移動する。移動した材料は、回転ツール30の回転によって更に後方に押し流され、回転ツール30の最下点で表面押え部32の後端により押し込まれる。その結果、容器本体10の接合部近傍に肉不足を生じることなく、突合せ部が強固に接合される。
【0011】
これに対し、フロー側に厚肉の蓋体20が位置すると、摩擦熱によって可塑化された容器本体10の材料が攪拌ピン31及び回転ツール30の回転によって上方に移動するが、回転速度Vrtと進行速度Vadの差ΔV(=Vrt−Vad)の分だけメタル流動量が少なくなる。移動した材料は、回転ツール30の回転により更に後方に押し流され、回転ツール30の最下点で押し込まれる。その結果、容器本体10の接合部近傍に肉不足が生じ、接合強度が不充分で気密性にも劣る継手が形成される。
また、蓋体20の挿入部21を容器本体10に差し込んだ状態で側壁11と23との突合せ部に回転ツール30を押し当てているので、回転ツール30の押圧力は蓋体20の平面方向で受け止められる。その結果、平面状ベースに突合せ部を載置しなくても、容器本体10の変形が防止され、容器本体10を周回する気密接合部が形成される。
【0012】
摩擦攪拌接合に際しては、表面押え部32の縁部が被接合材料である容器本体10及び蓋体20の表面に接する状態で、回転ツール30の前進角θを3〜30度の範囲に設定することが好ましい。前進角θは、図5に示すように容器本体10及び蓋体20につけた曲面の法線L1 と攪拌ピン31の軸線L2 との間の角度として定義される。前進角θが3度未満になると、接合部前方にある容器本体10及び蓋体20のメタルを押圧する表面押え部32の前方に働く力が大きくなりすぎ、摩擦熱で可塑化したメタルが回転ツール30の外方に排出され、接合部に欠陥が発生しやすくなる。逆に30度を超える前進角θでは、接合部後方にある容器本体10及び蓋体20のメタルを押圧する表面押え部32の範囲が小さすぎるため、可塑化したメタルがスムーズに押し込まれず、ピン孔を埋めることができず、メタル不足に起因した欠陥が接合部に発生しやすくなる。
【0013】
【実施例】
アルミニウム材料として5083−O材を用い、肉厚0.8mmの側壁間の内法幅wが23.6mmで、内法半径r=11mmの半円筒部を両側につけた断面長円形状の内部空間をもつ深さd=150mmの容器本体10(図2)を深絞り加工により成形した。蓋体20も同じ材料5083−O材を鍛造加工によって成形し、挿入部21の高さhを10mmに設定した。
回転ツール30には、直径9.5mmの円筒部の底面を半径11.8mmの曲面でえぐって表面押え部32とし、直径2mm,突出長さ1.5mmの攪拌ピン31を表面押え部32から突出させたものを使用した。
【0014】
蓋体20の挿入部21を容器本体10に差し込み、容器本体10の側壁11に蓋体20の側壁23を突き合わせた。側壁11−23の突合せ部に回転ツール30の攪拌ピン31を押し込み、進行速度Vad=200mm/分,回転速度Vrt=8000rpmで回転ツール30を駆動させた。回転ツール30は、シアー側に蓋体20又は容器本体10が位置する2方向に回転させた。シアー側に容器本体10が位置する場合(図4b)、接合部Wの内部に未接合部Wfが残っており、接合部Wの幅も0.3mmに過ぎず、気密性に劣る接合部Wであった。これに対し、シアー側に蓋体20が位置する場合(図4a)、接合部Wの内部に未接合部Wf が検出されず、接合幅も2mmと広くなった健全で気密性に優れた接合部Wが形成された。
シアー側に蓋体20が位置する条件(図4a)下で、回転ツール30の前進角θが接合の良否に及ぼす影響を調査した。表1の調査結果にみられるように、前進角θが3〜30度の範囲にあるとき、未接合部Wf がなく平坦度の高い接合部Wが形成された。他方、前進角θが1度になるとトンネル状空洞部等の欠陥が接合部に発生し、前進角θが40度では開口状等の欠陥が接合部に発生した。
【0015】
【0016】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、厚肉材と薄肉材との摩擦攪拌接合に際し、シアー側に厚肉材がくるように回転ツールの回転方向を規制している。これにより、厚肉材側では摩擦熱によって可塑化したメタルの攪拌流動が促進され、接合に必要なメタル量を確保すると共に、薄肉材に肉不足を引き起こすことなく、健全で気密性に優れた接合部を形成している。接合された部材は、摩擦攪拌溶接本来の接合部形状特性が良好なことを活用し、矯正等の後加工が大幅に軽減され製品として使用される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の摩擦攪拌溶接を説明するために接合界面方向(a)及び整合界面と直交する方向(b)からみた接合部の断面
【図2】 本発明の攪拌摩擦接合が適用される電池ケースの容器本体及び蓋体の斜視図
【図3】 本発明に従った攪拌摩擦接合における接合部の断面図
【図4】 厚肉の蓋体がシアー側(a)及びフロー側(b)にある場合の説明図
【図5】 回転ツールの前進角θを説明する図
【符号の説明】
10:容器本体 11:容器本体の側壁
20:蓋体 21:挿入部 22:カバー部 23:側壁
30:回転ツール 31:攪拌ピン 32:表面押え部
D:回転ツールの進行方向 W:接合部 Wf :未接合部
θ:回転ツールの前進角 L1 :曲面部の法線 L2 :攪拌ピンの軸線[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for airtight joining of circumferential butted portions between members having different thicknesses by friction stir welding and a sealed container such as a battery case obtained thereby.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing sealed containers made of aluminum materials such as aluminum and aluminum alloys, the lid body is integrated with the container body in a sealed state by fusion welding such as MIG welding. However, since a large amount of heat is applied to the material to be welded, Deformation tends to occur. In general, since the container body is thin and the lid is thick, the temperature that rises due to the welding heat due to the difference in heat capacity tends to be different between the container body and the lid. In this state, the lid body is joined to the container main body, and therefore the airtightness of the joint portion cannot be sufficiently secured due to deformation of the groove shape due to thermal deformation, poor penetration, and the like.
[0003]
Friction stir welding has attracted attention as a method that replaces fusion welding. In the friction stir welding, as shown in FIG. 1A, the
[0004]
As shown in FIG. 1 (b), the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Unlike the raised bead formed by arc welding or the like, the
However, in the conventional friction stir welding, in most cases, the materials to be joined are arranged on one plane and the straight or curved butt portions are joined. In addition, if materials with different thicknesses such as the container body and lid of the battery case are friction stir welded, there will be a difference in the stirring flow of the metal between the thick and thin materials, so a sufficient stirring state can be obtained. There is a tendency that joints including defects such as unwelded parts are formed. In addition, the metal on the thin side plasticized by frictional heat may flow to the thick side, resulting in a lack of thickness on the thin side after joining. The lack of meat not only lowers the joint strength but also causes the airtightness to be impaired.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been devised to solve such a problem, and by regulating the rotation direction of the rotary tool in relation to the thickness of the material to be joined, the thick and thin walls are joined via the joining interface. An object is to uniformize the flow of the plasticized aluminum material over both materials to be joined and to form a highly airtight joint.
In order to achieve the object, the friction stir welding method of the present invention forms a stepped portion on the end face of the thick aluminum member, and a thin aluminum material is formed on the stepped portion in a direction perpendicular to the thick aluminum member. The abutting portion of the thick aluminum member and the thin aluminum material is formed by pressing so that the surface of the aluminum material and the tip surface of the end surface of the thick aluminum member are the same surface, and the stirring pin of the rotary tool is formed in the abutting portion. And rotate the rotary tool in the direction in which the thick aluminum material is positioned on the shear side where the rotational speed is added to the rotational speed of the rotary tool (for example, the left side of the welding progress direction when the tool rotation direction is clockwise). However, the rotating tool is advanced along the abutting portion while the stirring pin is pushed into the abutting portion.
[0007]
When airtightly bonding a lid to a container body such as a battery case, a step made of a thick aluminum aluminum member on the container body made of an aluminum material having an inner space with an oval cross section so that the dimensions of the container body side on the end surface are reduced. Insert the insertion part formed by the stepped part formed so that the dimension of the lid forming the part becomes small, but the side wall of the container body and the side wall of the lid body are abutted to form a butt section that goes around the container body Then, the stirring pin of the rotating tool is pushed into the abutting portion, and the agitating pin is pushed into the abutting portion while rotating the rotating tool in the direction in which the lid is positioned on the shear side where the rotational speed is added to the traveling speed of the rotating tool . The rotating tool is advanced along the abutting portion while remaining in the state .
The rotating tool has a forward angle θ defined by an angle between the normal line of the surface of the material to be bonded and the axis of the stirring pin in a state where the surface pressing portion is in contact with the surface of the material to be bonded. It is preferable to set to.
[0008]
Embodiment
Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking as an example a case where a lid body is airtightly joined to a container body of a battery case, but the present invention is not limited thereto, and a butt that circulates aluminum materials having different thicknesses. The same applies to the case of joining along the part.
The
[0009]
The
When the
[0010]
The joint W is formed between the
On the side where the traveling speed V ad of the rotating
[0011]
On the other hand, when the
Further, since the
[0012]
At the time of friction stir welding, the advance angle θ of the
[0013]
【Example】
An internal space having an oval cross section in which a 5083-O material is used as the aluminum material, the inner width w between the side walls of 0.8 mm is 23.6 mm, and semicylindrical portions having an inner radius r = 11 mm are attached to both sides. A container body 10 (FIG. 2) having a depth d = 150 mm with a shape was formed by deep drawing. The
The
[0014]
The
Under the condition (FIG. 4a) in which the
[0015]
[0016]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the rotation direction of the rotary tool is regulated so that the thick material comes to the shear side during the friction stir welding of the thick material and the thin material. As a result, the stir flow of the metal plasticized by frictional heat is promoted on the thick material side, ensuring the amount of metal necessary for joining, and without causing a shortage of meat in the thin material, it is excellent in sound and airtightness. A junction is formed. The joined member is used as a product by making use of the fact that the shape characteristic of the joint part inherent to friction stir welding is good, and post-processing such as correction is greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a joint as viewed from a joint interface direction (a) and a direction (b) orthogonal to a matching interface in order to explain conventional friction stir welding. FIG. 3 is a perspective view of a container body and a lid of a battery case. FIG. 3 is a cross-sectional view of a joint portion in agitation friction welding according to the present invention. FIG. 4 is a thick lid with a shear side (a) and a flow side (b). Fig. 5 is a diagram for explaining the advance angle θ of the rotating tool.
10: Container body 11:
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